SCR脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調整試驗研究

方明成，劉玉強，王潤明，周明

(華電渠東發(fā)電有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

隨著火電廠最新大氣污染排放標準的頒布及煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃的實施[1-2]，燃煤電廠必須更加嚴格地控制煙氣中NOx的排放量。選擇性催化還原(SCR)脫硝技術因脫硝效率高且運行穩(wěn)定可靠，而被廣泛應用于燃煤電廠。脫硝效率和氨氣逃逸率是衡量SCR脫硝系統(tǒng)運行是否良好的重要依據(jù)。

燃煤電廠在實際運行過程中，鍋爐負荷、鍋爐燃燒工況、煤種、噴氨格柵閥門開度、煙道流場均勻性、吹灰間隔時間及催化劑種類等因素均會影響SCR脫硝效率和氨逃逸率[3]。逃逸氨在空預器中會生成黏性的硫酸銨或硫酸氫銨，減小空預器流通截面，造成空預器堵灰。空預器堵灰不僅影響鍋爐運行的安全性而且顯著降低鍋爐效率，嚴重影響脫硝機組的安全穩(wěn)定運行[4-5]。

目前燃煤電廠可以選擇新型的SCR脫硝系統(tǒng)噴氨格柵類型、布置方式及改造噴氨管[6-8]，調整噴氨量和噴氨均勻性[9-10]，改進催化劑入口氨氮比，優(yōu)化煙氣導流板布置、煙氣流速的均布性[11-12]，或研發(fā)與應用煙氣脫硝系統(tǒng)自動控制技術[13]。通過提升自控系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性[14]等措施，可提高SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx分布均勻性，防止局部氨逃逸超標，減輕空預器堵灰、腐蝕、運行阻力等問題。但目前燃煤電廠小機組SCR煙氣脫硝系統(tǒng)，多采用傳統(tǒng)的線性控制式噴氨格柵技術[15]。由于脫硝系統(tǒng)新型結構改造經(jīng)濟成本高、周期長，在現(xiàn)有SCR煙氣脫硝系統(tǒng)中開展噴氨優(yōu)化調整試驗,是目前提高氨利用率、減少NOx污染物排放的主要手段。調節(jié)SCR脫硝系統(tǒng)噴氨量，改善SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx分布均勻性和氨利用率的均勻性，消除局部氨逃逸峰值，對提高機組運行經(jīng)濟性、安全性具有重要意義。

1 試驗對象及參數(shù)

330 MW亞臨界燃煤#1，#2機組的煙氣脫硝系統(tǒng)采用選擇性催化還原法(SCR)脫硝工藝和板式催化劑，催化劑按“2+1”模式布置，選用二氧化鈦、釩化合物作為催化劑，采用液氨制備脫硝還原劑。

SCR煙氣脫硝系統(tǒng)采用線性控制式噴氨格柵技術。噴氨格柵中各組噴嘴之間的氣氨噴射具有較強的獨立性。SCR脫硝系統(tǒng)入口每側布置2層上下交錯的噴氨格柵，14支控制噴氨量分配的噴氨手動門。每個手動門控制3根支管，流量覆蓋寬度1.5 m。每組2個手動門分別對應煙道截面前后部分噴氨。

2 噴氨優(yōu)化調整試驗

2.1 試驗儀器及調整方法

SCR脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化試驗是根據(jù)GB/T 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》，DL/T 335—2010《火電廠煙氣脫硝(SCR)裝置運行技術規(guī)范》開展的；使用的儀器主要有氨逃逸分析儀(LDAS-3000)、煙氣分析儀(德國MRU NOVA plus)、大功率煙氣處理器、電子微壓計及標準皮托管(2～3 m)；試驗采用單點抽樣監(jiān)測方式，根據(jù)測定的SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度分布情況，調整手動閥門開度，對應調節(jié)噴氨流量；試驗時要保證煤質、負荷及配風方式等條件的穩(wěn)定。

試驗主要測量SCR脫硝系統(tǒng)進/出口的靜壓、動壓、NOx質量濃度、O2含量，利用網(wǎng)格法測量煙氣的NOx質量濃度、O2含量，并根據(jù)SCR脫硝系統(tǒng)出口的NOx質量濃度分布，使用氨逃逸分析儀在截面煙道上測量氨逃逸質量濃度。圖1是SCR脫硝系統(tǒng)進、出口測點布置示意圖，為了能準確地反映SCR脫硝裝置NOx濃度分布和氨逃逸質量濃度分布情況，在進、出口煙道截面A、B側(南、北)對稱處，設置不同深度測試點，分別定義為A1，A2，…，A9，B1，B2，…，B9(測點數(shù)量和深度可以調整)。

圖1 SCR脫硝系統(tǒng)進、出口測試點布置示意

對#1，#2機組進行了噴氨優(yōu)化調整試驗，試驗共分為摸底試驗、優(yōu)化調整試驗兩個部分，#2機組試驗是在#1機組試驗的基礎上進行的。摸底試驗是在實際運行負荷工況下，測試SCR脫硝系統(tǒng)進、出口NOx和濃度、氨逃逸質量濃度分布等，初步評估脫硝系統(tǒng)整體運行狀態(tài)及噴氨流量的分配情況。在試驗負荷和對應的脫硝效率下，測試格柵手動閥的流量特性，掌握閥門開度變化對氨氣流量的影響，入口NOx質量濃度和煙氣流場分布偏差情況，掌握噴氨手動閥控制流量對SCR出口NOx質量濃度的影響。

根據(jù)初步摸底試驗測試數(shù)據(jù)，有針對性地調整手動噴氨閥門開度：首先適當調高NOx較高的區(qū)域的噴氨量，減小NOx較低區(qū)域的噴氨量；逐步調整SCR出口各測孔、各測點NOx質量濃度使其分布基本均勻，入口NOx質量濃度測量值不均勻度小于10%。

2.2 SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質量濃度分布

使用煙氣分析儀測量SCR脫硝系統(tǒng)進口(噴氨格柵前水平截面)及出口NOx質量濃度分布情況，兩機組SCR脫硝系統(tǒng)進口A、B側NOx質量濃度分布非常均勻，#1機組A、B兩側分布相對標準偏差分別為0.82%，1.32%，#2機組A、B兩側分布相對標準偏差分別為4.0%，1.7%。

為了準確測定SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質量濃度分布的均勻性，#1機組增加了相對于進口深度0.5 m處的NOx質量濃度。噴氨優(yōu)化調整試驗前后#1機組SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質量濃度分布情況如圖2所示。

圖2 #1機組優(yōu)化前后A、B側出口NOx質量濃度分布

由圖2可以看出，#1機組優(yōu)化前SCR脫硝系統(tǒng)出口A、B側兩側NOx質量濃度分布不均勻，A、B兩側相對標準偏差分別為52.7%，23.1%，A側出口NOx質量濃度分布呈現(xiàn)由南向北逐步降低的趨勢，B側出口NOx濃度整體偏高；優(yōu)化后A、B側出口NOx質量濃度分布相對均勻，相對標準偏分別為9.07%，7.51%。實驗證明，經(jīng)過多次調整噴氨手動閥門開度，合理調節(jié)噴氨量，可使SCR出口NOx質量濃度得到較大改善，趨向于均勻分布。

由圖3可以看出，#2機組優(yōu)化調整前SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質量濃度分布不均勻，同側煙道南北兩邊NOx質量濃度偏差明顯，濃度分布呈現(xiàn)由南側向北側逐步升高的趨勢。A、B側NOx質量濃度分布相對標準偏分別為83.3%，94.7%(最低值為10 mg/m3、最高值為180 mg/m3)，濃度偏差較大。經(jīng)優(yōu)化調整后，SCR出口NOx質量濃度均勻性有了較大提高，并消除了局部NOx質量濃度偏高的情況，A、B側出口NOx質量濃度分布相對標準偏差分別降到49.6%，38.1%，但未能調整到設計目標(15%)以下。主要原因為SCR內部煙氣流速分布存在偏差，氨氮比濃度不能分區(qū)調整，噴氨格柵各手動門控制的煙道截面范圍較寬，且各手動門控制范圍交錯布置，對應區(qū)域內NOx數(shù)值有高有低，無法作出對應調整。

圖3 #2機組優(yōu)化前后A、B側出口NOx質量濃度分布

2.3 SCR脫硝系統(tǒng)出口氨逃逸質量濃度分布

采用氨逃逸分析儀對SCR脫硝系統(tǒng)出口氨逃逸數(shù)據(jù)進行測量，#1機組SCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化前后A、B側出口氨逃逸質量濃度分布情況如圖4所示。

圖4 #1機組優(yōu)化前后A、B側出口氨逃逸質量濃度分布

從圖4可以看出，優(yōu)化前SCR脫硝系統(tǒng)出口氨逃逸質量濃度分布A側高于B側，均值1.75 mg/m3，A側北邊3個測點數(shù)值超過2.28 mg/m3，達到2.43～3.65 mg/m3，呈現(xiàn)南側低北側高的分布，A側氨逃逸稍高于B側，符合A側空預器差壓高的現(xiàn)象，B側分布相對均勻，均值0.61 mg/m3；優(yōu)化后消除了A側約1/3煙道氨逃逸高于2.28 mg/m3的情況，均值達到0.5 mg/m3，氨逃逸質量濃度分布均勻性改善明顯，B側均值0.84 mg/m3。

#2機組SCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化前后A、B側出口氨逃逸質量濃度分布情況如圖5所示。

圖5 #2機組優(yōu)化前后A、B側出口氨逃逸質量濃度分布

由圖5可知，優(yōu)化調整前SCR脫硝系統(tǒng)出口氨逃逸質量濃度分布不均勻，A側南邊氨逃逸明顯偏高，某些測點超過2.28 mg/m3，最高達到13.68 mg/m3，B側僅測試點B9處氨逃逸質量濃度偏高，達4.26 mg/m3，其他測試點未發(fā)現(xiàn)氨逃逸明顯超標現(xiàn)象。優(yōu)化調整后，氨逃逸分布不均勻性和質量濃度明顯降低，均值小于0.91 mg/m3。

2.4 SCR系統(tǒng)噴氨優(yōu)化試驗前后主要的運行參數(shù)

取SCR系統(tǒng)噴氨優(yōu)化試驗前后各1 天的主要運行參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)，見表1。

從表1可知，SCR系統(tǒng)整體氨利用率和反應效率得到提高。通過優(yōu)化調整，#1機組在鍋爐負荷相近、SCR入口NOx質量濃度比試驗前平均升高170 mg/m3的情況下，總噴氨流量保持不變，SCR出口NOx質量濃度的下降幅度比試驗前的有所增加，A側稀釋風機流量下降了664 m3/h，兩側NOx出口質量濃度相對標準偏差平均值降低29.6%，氨逃逸質量濃度平均下降0.42 mg/m3；#2機組在鍋爐相近負荷下、SCR入口NOx質量濃度升高30 mg/m3、煙囪排放值接近的情況下，總噴氨流量降低1.7 kg/h，A側空預器壓差降低0.15 kPa，兩側NOx出口質量濃度相對標準偏差降低45.2%，氨逃逸質量濃度平均下降1.79 mg/m3。

2.5 SCR噴氨手動閥門開度

手動調閥開度大的噴氨噴嘴，噴氨量較大，對應裝置出口區(qū)域的NOx質量濃度低，氨逃逸質量濃度高；手動調閥開度小的噴氨噴嘴，噴氨量較小，對應裝置出口區(qū)域的NOx質量濃度高，氨逃逸質量濃度低。經(jīng)過多次輪測試與調整，確定了SCR各支噴氨手動門最佳開度，有效改善了裝置出口的NOx質量濃度分布均勻性，降低了氨逃逸質量濃度。#1機組和#2機組A、B兩側各14個噴氨手動閥門，A11與A21是單個閥門調整對應位置，試驗前后開度情況如圖6、圖7所示(其中#2機組A14號門開度顯示窗被油漆糊住無法確認開度)。通過優(yōu)化試驗，A、B側SCR脫硝系統(tǒng)各噴氨手動門開度有了較大的變化。

表1 優(yōu)化調整試驗前后主要運行參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)

圖6 #1機組噴氨手動閥門優(yōu)化試驗前后開度

噴氨優(yōu)化試驗時對應氨逃逸濃度分布高的位置，減小閥門開度，從圖6#1機組噴氨手動閥門開度可知，噴氨優(yōu)化試驗調整前SCR脫硝系統(tǒng)出口A側北半邊氨逃逸質量濃度數(shù)據(jù)明顯偏高，優(yōu)化試驗時對應氨逃逸質量濃度分布高的位置，減小閥門開度。從圖6中可以看出，A側北側閥門開度明顯降低，減小了噴氨流量，降低氨逃逸濃度。B側氨逃逸質量濃度分布相對均勻。A側最大從65%調整到25%，關閉61.5%，B側除B14閥門開度調整較大外，開度相對A側調整幅度較小，是根據(jù)經(jīng)驗適當調整閥門開度。 優(yōu)化試驗后消除了A側約1/3煙道氨逃逸高于2.28 mg/m3的情況，均值從1.75 mg/m3降至0.68 mg/m3，與手動門開度調整對應。

從圖7#2機組噴氨手動閥門開度可知，噴氨優(yōu)化調整前SCR脫硝系統(tǒng)出口A側南半邊、B側北半邊氨逃逸質量濃度數(shù)據(jù)明顯偏高。噴氨優(yōu)化試驗時，對應氨逃逸濃度分布高的位置減小閥門開度。優(yōu)化調整后，A側南側、B側北邊閥門開度明顯降低，噴氨流量與氨逃逸濃度相應降低。

圖7 #2機組噴氨手動閥門優(yōu)化試驗前后開度

3 結束語

(1)SCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化調整試驗改善了局部噴氨過量和噴氨不足的情況，SCR出口NOx質量濃度均勻性改進明顯，系統(tǒng)整體氨利用率和反應效率得到提高。

(2)SCR脫硝系統(tǒng)脫硝性能和脫硝效率受多種因素影響。為提高SCR出口NOx質量濃度均勻性，降低氨逃逸，減少空預器堵塞，達到污染物低排放最新標準，推薦定期進行脫硝噴氨優(yōu)化調整試驗。

(3)內部流場不均和噴氨格柵結構等影響SCR出口NOx質量濃度分布均勻性，后續(xù)需優(yōu)化設計改進內部流場分布，實施改造新型的噴氨格柵布置方式，實現(xiàn)分區(qū)調整，為提高脫硝性能提供基礎條件，對減輕空預器堵塞風險具有重大意義。